新能源体育运动心率监测智能装置设计

孙雅彤 张馨内 贾新宇 史佳音

摘要：心率包含了大量的人体健康状况的信息，心率检测仪器应准确、客观、便捷、及时。本设计以STM32F103C8T6单片机作为主控元件，采用反射式光电传感器SON1303采集使用者的心跳信号，由LCD1602数字液晶显示频显示心跳数及时间等。采用蓝牙模块将心率信息传输到手机端，使用者可以长期监测自己的身体状况。采用太阳能充电，实现社会能源清洁化，设计利用太阳能对锂电池进行反复的充电，节省能源。该装置可安置到社区、养老机构、学校操场、健身房等公共场所，实现医疗设备心率仪的共享，运动者随时可以测量心率，时刻监测心率变化，及时了解身体各项机能来提醒自己调整运动强度，从而为人们科学健身提供指导，营造全民健康健身的和谐氛围。

关键词：新能源;心率监测;全民健身;共享

1 引言

近年来，“远程监控”、“远程医疗”、“移动健康”、“共享医疗服务”等概念相继涌现，在生命体征监控方面有了许多新的需求。针对我国移动健康、适普医疗等迫切需求，研制面向个人生命体征智能采集和看护系统是非常有价值的。本文主要研究一款基于新能源供电的体育运动心率监测智能装置。运用高集成脉冲反射方法采集人的心率变化，增加蓝牙模块实现与手机的数据传输，设计太阳能供电模块实现能源的合理利用。本装置安装灵活，可安置到公园、操场、健身房等公共场所，也可安装到健身器材上，时刻监测运动者的心率变化来提醒他调整运动强度，提出共享医疗设备的概念，为人们科学健身提供指导，营造全民健康健身的氛围。

2 系统总体设计

新能源体育运动心率监测智能装置设计模型如图1所示

如图1所示，使用者将手放在监测点，心率状况将会在显示屏上实时显示，方便使用者在确保运动正常进行的情况下实时监测自己的心率，以及时调整运动强度。使用者也可以通过蓝牙和本装置相连，在手机上长期监测自己的身体状况。本装置采用太阳能供电，确保装置的正常运作。

3 硬件设计与实现

本设计的系统模块划分为：①心率传感器部分;②单片机处理电路部分;③太阳能充电电路;④显示电路;⑤蓝牙模块。

3.1心率传感器部分

主要包括心率信号的采集、信号放大电路。通常情况下，心率信号近似成周期性，但不是确定的周期性信号，信号频率较低，容易引入干扰。心率传感器输出是毫伏级信号，需要通过信号处理电路转换为可供微处理器识别的脉冲信号。

目前常用的心率监测方法有：心电图法[1-2]、光电容积脉搏波描记法（PGG）[3-4]、生物电阻抗法[5-6]等。其中PGG法的运用最为广泛。[7]

光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件、信号调理控制电路构成。因采用不同的光敏元件而有多种实现方法。光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管和硅光电池。光敏元器件输出的电流极低易受到外界干扰，而且对后续的放大器的要求较高，故经光敏元件及后继的信号处理、放大、调理电路等构成的分立式脉搏采集电路较复杂，易受众多干扰，检测不稳定。集成脉搏传感器具有结构简单、无损伤、体积小、功耗低、可重复好等优点，故本设计选用反射式光电脉搏传感器SON1303，符合运动心率仪可穿戴、便携、低功耗、精确可靠的要求。

主要器件是SON1303传感器，它内部集成了高科技纳米涂层的环境光检测传感器，采用高集成脉冲反射方法的脉冲计模块来采集人的心跳，测量的灵敏度更高，再将变化的信号进行运放多级放大后送到单片机进行处理，单片机计算出心跳速度并将计算结果通过LCD实时刷新，实现从采集心跳到心率显示的过程。

采用SON1303反射式光电传感器检测心率信号，其内部有两对LED发光管和接收管，由发光管提供绿色光源，可照射人体皮肤，接收管接收人体皮肤反射回来的光。SON1303采用570 nm波长的绿光，与红外光相比反射率更高，测量感度更高，同时也可提高信噪比。其内部集成纳米涂层环境光检测传感器，过滤不需要的光源，可减少由其他光源干扰的误判动作。人体组织充血时的透明度减小，接收管接收到的光强度减弱，人体组织缺血时的透明度减大，接收管接收到的光强度增强。SON1303接收的反光信号后经内部电路放大，由VOUT引脚输出电压信号。电阻R2、R3起限流保护作用，电阻R4用于VOUT引脚的下拉钳位。SON1303可输出与心跳频率一致的电压信号。

3.2單片机处理部分

新能源体育运动心率监测智能装置以STM32F103C8T6单片机为主控元件，采用反射式光电传感器SON1303采集身体各个部位采集的心跳信号，最终由LCD1602数字液晶显示频显示心跳数及时间等。

接收电路部分的光耦滤波则集成了光敏IC和低噪声放大器，测量的灵敏度更高，再将变化的信号进行运放多级放大后送到单片机进行处理，单片机接收到外部中断信号后执行相应指令。CPU对输入的脉冲信号通过一系列的算法计算后。单片机计算出心跳速度并将计算结果通过LCD实时刷新，实现从采集心跳到心率显示的过程。

3.3太阳能充电电路

太阳能电池板在使用的时候，由于太阳光线的变化，温度的大小等因素，导致其输出电压不稳定，输出电流小。所以必须利用充电控制电路将电池板输出红给蓄电池供电。在光线条件适宜的时候，通过太阳能电池板输出7-12V电压，系统需要的5V电压，需要利用降压转换器LM2575来输出稳定的5V电压对锂电池进行反复的充电，节省能源。

太阳能电池器件是能将光能转化为电能的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，现以硅晶体为例，当太阳光照射到器件表面时，一部分光子被硅吸收;其能量传递给了硅原子，使硅的电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。根据蓄电池的高低，调节充电电流的大小，并决定时候向负载供电，实现以下目标，故应该在太阳能电池板之后连接一个充电控制电路并满足以下几个需求。

（1）经常保持蓄电池处于饱满状态

（2）防止蓄电池过度充电

（3）防止蓄电池过度放点

（4）防止夜晚蓄电池反向充电

降压式DC/DC变换器，简称降压式变换器，也称Buck变换器，是最常用的DC/DC变换器之一。降压式变换器能将较高的直流电压变换成较低的直流电压，例如将24V电压变换成12V或5V电压。降压式变换器的损耗很小，效率很高，应用领域十分广泛。

3.4 显示电路

显示电路采用LCD1602，LCD1602的显示内容为16*2，即可以显示两行每行16个字符液晶显示，且系统软硬件设计简单方便，稳定可靠，通过3个控制引脚RS R/WE将单片机处理分析后的数据送到8个数据引脚DB0-7，进而显示出心率及时间。

LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。

LCD1602具有如下优点：

（1）LCD1602 液晶显示模块（其内部控制器为HD44780 芯片），它可以显示两行，每行显示16 个字符，也就像32 个LED 数码管，而且相对而言显示的信息内容丰富。

（2）采用单+5V 电压，外围电路配置不复杂。价格低廉，性价比相对较好。

（3）体积小巧，质量轻薄。LCD1602液晶模块通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，相对于其他屏幕质量轻很多。

（4）显示质量高。LCD1602的每个点在接收信号后都保持了颜色和亮度，所以它会发出恒定的光，画质高，不会发生闪烁。

（5）数字式接口。LCD1602是数字式的接口和单片机系统的接口，操作更加简单方便。

（6）LCD1602消耗的功率较小。

3.5蓝牙模块

采用蓝牙模块由芯片、PCB板、外围器件构成，采用串行接口，实现心率监测装置与使用者手机之间的心率数据传输。蓝牙模块可以避免射频信号到中频信号的变换，使系统结构更加简单。

4结论

新能源体育运动心率监测智能装置，融合了现代传感技术与新能源供电技术，对心率信息进行收集处理，实时显示使用者的心率状况。经过一段时间的调试运行后发现，各模块电路运行正常，太阳能供电正常，装置基本可以准确测量出使用者的心率状況并实时显示。下一步将优化融合各模块，主要重点在改进其心率监测模块，使其采集数据更加精确快速，同时可以适应各种室外环境变化。

参考文献

[1]孙燕，田忠新，李银奎. 长时动态心电图 ECG 数据可视化[J]. 实验室研究与探索，2017，36（11）：24–27.

[2]朱宏亮，韩兆星，余松林，等. 低温环境下心率变异性分析研究[J]. 生物医学工程研究，2019，38（3）：275–278，315.

[3]陈炎，李丹，李彦海，等. 基于加速度传感器的心率信号处理及检测方法[J]. 科学技术与工程，2016，16（9）：67–70.

基金项目：天津市大学生创新创业训练计划项目“新能源体育运动心率监测智能装置”（202110066085）

作者简介：孙雅彤（2000-），女，本科生，电气工程及其自动化专业。